光学素子、及び赤外線センサ
【課題】光学素子の中心軸に対し傾いて入射する光を集光させることができる光学素子、及び、光学素子の中心軸に対し傾いて入射する光をより確実に検知できる赤外線センサを提供する。
【解決手段】赤外線センサ1は、光学素子としてのレンズアレイ2と感熱部としてのセンサアレイ3とを有し、センサ部4が複数、形成されている。レンズアレイ2は、レンズ本体5と、当該レンズ本体5に形成された光学素子群6とを有する。光学素子群6は、光学素子7が縦横に所定の間隔をあけてレンズ本体5の一面5aに配列されている。各光学素子7は、放物面8の光軸a1,a2,a3,a4の傾きがそれぞれ異なっており、光学素子群6全体として種々の角度から入射した光を集光し得るように構成されている。
【解決手段】赤外線センサ1は、光学素子としてのレンズアレイ2と感熱部としてのセンサアレイ3とを有し、センサ部4が複数、形成されている。レンズアレイ2は、レンズ本体5と、当該レンズ本体5に形成された光学素子群6とを有する。光学素子群6は、光学素子7が縦横に所定の間隔をあけてレンズ本体5の一面5aに配列されている。各光学素子7は、放物面8の光軸a1,a2,a3,a4の傾きがそれぞれ異なっており、光学素子群6全体として種々の角度から入射した光を集光し得るように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学素子、及び赤外線センサに関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、光学素子としては、ガラスやプラスチックにより形成した可視光の集光レンズが知られている。ところが、ガラスやプラスチックは、赤外線を吸収してしまう。そのため、ガラスやプラスチックで形成された光学素子は、赤外領域では用いることができない。これに対し、赤外領域で用いることができる光学素子の材料として、ゲルマニウムやセレン化亜鉛が用いられてきた(例えば、特許文献1)。
【0003】
このような赤外領域で用いることができる光学素子は、赤外線センサに適用されている。この赤外線センサとしては、焦電素子と、赤外線検出部と、光学素子としてのレンズ部を有するキャップレンズとを有し、レンズ部によって集光された赤外線を焦電素子に入射させることによって、対象物の存在を検知する赤外線センサが開示されている(例えば、特許文献2)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2004−361862号公報
【特許文献2】特開2008−268128号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記光学素子では、図18に示すように、光学素子の中心軸yに対し平行に入射する光(図中A,D)を集光させることはできるものの、光学素子の中心軸yに対し傾いて入射する光(図中B,C)を集光させることができない。そうすると、このような光学素子を用いた赤外線センサでは、光学素子の中心軸yに対し傾いて入射する光を高感度で検出することが困難であるという問題があった。
【0006】
そこで、本発明は上記した問題点に鑑み、光学素子の中心軸に対し傾いて入射する光を集光させることができる光学素子、及び、光学素子の中心軸に対し傾いて入射する光をより確実に検知できる赤外線センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の請求項1に係る発明は、入射した光を反射して集光する放物面を備える光学素子において、前記放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されていることを特徴とする。
【0008】
本発明の請求項2に係る発明は、前記放物面の周囲には、前記光学素子の中心軸に概略平行な壁面が形成されていることを特徴とする。
【0009】
本発明の請求項3に係る発明は、入射した光を反射して集光する放物面を備える光学素子と、前記光学素子によって集光された光の焦点に配置された感熱素子とを備え、前記放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されていることを特徴とする。
【0010】
本発明の請求項4に係る発明は、前記光学素子と、前記光学素子に対応して設けられた前記感熱素子とからなるセンサ部が、複数配列されてなることを特徴とする。
【0011】
本発明の請求項5に係る発明は、前記放物面の周囲には、前記光学素子の中心軸に概略平行な壁面が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明の請求項1に係る光学素子によれば、放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されているので、光学素子の中心軸に対し傾いて入射する光をより確実に集光させることができる。
【0013】
本発明の請求項2に係る光学素子によれば、隣の光学素子からの迷光を防ぎ、隣り合う光学素子との間隔を狭くすることができるので、全体として小型化を実現することができる。
【0014】
本発明の請求項3に係る赤外線センサによれば、前記放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されているので、光学素子の中心軸に対し傾いて入射する光をより確実に検知することができる。
【0015】
本発明の請求項4に係る赤外線センサによれば、光学素子と、前記光学素子に対応して設けられた前記感熱素子とからなるセンサ部を複数配列することにより、視野角を拡大することができる。
【0016】
本発明の請求項5に係る赤外線センサによれば、隣の光学素子からの迷光を防ぎ、隣り合う光学素子との間隔を狭くすることができるので、全体として小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明に係る赤外線センサの全体構成を示す縦断面図(1)である。
【図2】本発明に係る赤外線センサの全体構成を示す縦断面図(2)である。
【図3】本発明に係るレンズアレイの製造方法を段階的に示す縦断面図(1)である。
【図4】本発明に係るレンズアレイの製造方法を段階的に示す平面図である。
【図5】本発明に係るレンズアレイの製造方法を段階的に示す縦断面図(2)である。
【図6】本発明に係るレンズアレイの製造方法を段階的に示す縦断面図(3)である。
【図7】本発明に係るレンズアレイの実施例(1)を示す図であり、試料のパターンを示す平面図である。
【図8】本発明に係るレンズアレイの実施例(1)を示す図であり、開口の面積と、エッチングにより形成した溝の深さとの関係を示すグラフである。
【図9】本発明に係るレンズアレイの実施例(2)を示す図であり、試料のパターンを示す平面図である。
【図10】本発明に係るレンズアレイの実施例(2)を示す図であり、開口のアスペクト比と溝の深さとの関係を示すグラフである。
【図11】本発明に係るレンズアレイの光学素子の高さを測定した計測値を示す平面図である。
【図12】本発明に係る光学素子の設計形状と、形成された光学素子の実測形状とを対比する図であり、(A)図11におけるa−a断面、(B)図11におけるb−b断面である。
【図13】本発明に係る傾き角度0度の光学素子の製造方法の実施形態を示す図であり、(A)パターンの平面図、(B)放物面を示す図である。
【図14】本発明に係る傾き角度30度の光学素子の製造方法の実施形態を示す図であり、(A)パターンの平面図、(B)放物面を示す図である。
【図15】本発明に係る光学素子の評価を行った実験装置を示す斜視図である。
【図16】本発明に係る光学素子において、放物面に入射した光と、放物面によって反射され集光された光を模式的に示す図である。
【図17】本発明に係る光学素子において、放物面によって反射され集光された光を撮影した写真であり、図16における各位置にピントを合わせた写真である。
【図18】従来例を示す模式図であり、光学素子に入射した光と、光学素子によって反射された光とを示し、(A)入射光と放物面の光軸とが平行である場合、(B)放物面の光軸に対し入射光が30度の角度から入射した場合、(C)放物面の光軸が入射光に対し角度30度傾いている状態、(D)放物面の光軸が30度傾いており入射光が同様に30度の角度から入射した場合を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【0019】
(1)全体構成
図1に示す赤外線センサ1は、レンズアレイ2とセンサアレイ3とを有し、センサ部4が複数、本図では7個形成されている。
【0020】
レンズアレイ2は、レンズ本体5と、当該レンズ本体5に形成された光学素子群6とを有する。レンズ本体5は、任意の材料を用いることができるが、例えば、シリコンを用いることができる。
【0021】
光学素子群6は、光学素子7が縦横に所定の間隔をあけてレンズ本体5の一面5aに配列されている。本図においては、光学素子7のうち、第1の光学素子7a、第2の光学素子7b、第3の光学素子7c及び第4の光学素子7dを示す。尚、以下の説明において、光学素子7の中心軸は、本図中の方向yと平行であるとし、中心軸yとして説明する。
【0022】
光学素子7は、放物面8と、当該放物面8の周囲に前記放物面8よりも前記光学素子7の中心軸yに近い角度の壁面9とを有し、図示しない反射膜が表面に形成されており、凹面ミラーとして構成されている。本実施形態では、当該壁面9は、中心軸yに概略平行に形成されている。反射膜は、例えばアルミニウムや金で形成したものを適用することができる。放物面8は、光軸aを中心として形成されたすり鉢状の凹側の表面の一部で構成される。尚、放物面8の光軸aとは、放物面8を形成するすり鉢形状の中心を通り、当該光軸aと平行な角度から入射した光を焦点に集光させる方向の軸をいう。
【0023】
各光学素子7は、放物面8の光軸a1,a2,a3,a4の傾きがそれぞれ異なっており、光学素子群6全体として、レンズ本体5の一面5a側から入射する光であって種々の角度から入射する光をそれぞれの焦点に集光し得るように構成されている。このため、光学素子7は、当該光学素子7の中心軸yに対し、放物面8の光軸a1,a2,a3,a4の角度が、各光学素子7毎に異なる。
【0024】
本実施形態において、光学素子群6の中心に配置された第1の光学素子7aは、放物面8の光軸a1が中心軸yと平行となるように形成されている。当該第1の光学素子7aの両隣に間隔をあけて配置された第2の光学素子7bは、放物面8の光軸a2が中心軸yに対し15度傾いて形成されている。また、第2の光学素子7bの隣に間隔をあけて形成された第3の光学素子7cは、放物面8の光軸a3が中心軸yに対し30度傾いて形成されている。さらに、第3の光学素子7cの隣に間隔をあけて形成された第4の光学素子7dは、放物面8の光軸a4が中心軸yに対し45度傾いて形成されている。
【0025】
光学素子7における集光した光の焦点は、中心軸yに対し直交する方向の位置が、それぞれの光学素子7に対応した位置となるように形成されている。一方、光学素子7における集光した光の焦点は、中心軸y方向の位置が、全ての光学素子7で同一となるように形成されている。本実施形態では、光学素子7は、中心軸yに対する放物面8の傾きに応じて、放物面8の深さを種々変えることにより、全ての光学素子7の焦点の中心軸yの位置が、レンズ本体5の一面5aと略面一となるように形成されている。
【0026】
このように構成された複数の光学素子7からなる光学素子群6を備えたレンズアレイ2には、レンズ本体5の一面5aにセンサアレイ3が重ねて設けられている。センサアレイ3は、センサ本体12と、当該センサ本体12に固定された感熱素子13とを有する。
【0027】
センサ本体12は、赤外線を透過する材料で構成され、中心軸yに開口した凹部14が一側表面に形成されており、他側表面は平坦となっている。感熱素子13は、前記光学素子7に対応して設けられている。本実施形態では、感熱素子13は、光学素子7に対応して、第1の感熱部13a、第2の感熱部13b、第3の感熱部13c、及び第4の感熱部13dからなる。
【0028】
当該感熱素子13は特に限定されるものではなく、例えば、熱電対やサーミスタを用いることができる。感熱素子13としてサーミスタを用いた場合、図示しない計測器のアナログチャンネルのプラス端子及びマイナス端子にそれぞれサーミスタの端を電気的に接続する。
【0029】
各感熱素子13は、センサ本体12の他側表面の所定の位置に固定されている。ここで、所定位置とは、各光学素子7で集光した光の焦点とちょうど同じ位置をいう。
【0030】
赤外線センサ1は、上記のように構成されたレンズ本体5の一面5aにセンサアレイ3の他側表面を当接させ、レンズアレイ2上にセンサアレイ3を重ねて一体化してなる。このようにレンズアレイ2とセンサアレイ3とを一体化して、各光学素子7と、当該光学素子7に対応して設けられた感熱素子13とを組み合わせることにより、センサ部4が形成される。すなわち、センサ部4は、第1の光学素子7aと第1の感熱部13aとにより第1のセンサ部4aと、第2の光学素子7bと第2の感熱部13bとにより第2のセンサ部4bと、第3の光学素子7cと第3の感熱部13cとにより第3のセンサ部4cと、及び、第4の光学素子7dと第4の感熱部13dとにより第4のセンサ部4dとを有する。
【0031】
ここで、各光学素子7の焦点の中心軸yの位置が、レンズ本体5の一面5aと略面一となるように形成されているので、センサアレイ3の他側表面をレンズ本体5の一面5aに当接させセンサアレイ3をレンズアレイ2に重ねるだけで、センサアレイ3の他側表面に設けられた感熱素子13を前記焦点の位置に配置することができる。
【0032】
図2に示すように、上記のように赤外線センサ1は、入射した光をレンズアレイ2の各光学素子7で反射して焦点に集光させ、前記光学素子7に対応してセンサアレイ3に設けられた感熱素子13で当該集光した光を検知し得るように構成されている。赤外線センサ1は、放物面8の光軸aの角度が中心軸yに対し種々異なることにより、入射角の種々異なる光を検知し得るように構成されている。
【0033】
すなわち、第1のセンサ部4aでは、第1の光学素子7aが中心軸yに対し平行に入射した光を焦点に集光させ、第1の感熱部13aで当該光を検知する。一方、第2のセンサ部4bでは、第2の光学素子7bが中心軸yに対し15度傾いた方向から入射した光を焦点に集光させ、第2の感熱部13bで当該光を検知する。同様に、第3のセンサ部4cでは、第3の光学素子7cが中心軸yに対し30度傾いた方向から入射した光を焦点に集光させ、第3の感熱部13cで当該光を検知する。また、第4のセンサ部4dでは、第4の光学素子7dが中心軸yに対し45度傾いた方向から入射した光を焦点に集光させ、第4の感熱部13dで当該光を検知する。
【0034】
図2では、第1のセンサ部4aを中心として、両側に第2のセンサ部4b、第3のセンサ部4c、及び第4のセンサ部4dがそれぞれ設けられていることにより、中心軸yに対し、0度から45度まで15度間隔で入射角の異なる光を検出することができる。また、図示しないが、赤外線センサ1は、センサ部を平面視で縦横に配列することにより、入射角の異なる種々の光をより確実に検知することができる。
【0035】
(2)製造方法
次に、本発明に係るレンズアレイ2の製造方法について説明する。本実施形態では、被エッチングパターンの粗密によりエッチング速度が異なる現象である、マイクロローディング効果を用いる。尚、以下の説明では、1個の光学素子7を形成する場合について、説明する。
【0036】
まず、図3に示すように、フォトレジスト21を塗布したシリコン基板20上に、電子ビーム(Electron Beam)を用いてパターン22を形成する。パターン22は、フォトレジスト21を矩形状に除去した複数の開口23からなる。各開口23は、所定間隔で配列されている(図4)。また、パターン22の中心付近の開口23aは、パターン22の外縁の開口23bに比べ、表面積が大きくなるように形成されている。
【0037】
次いで、このようにパターン22が形成されたシリコン基板20に対しエッチングを行う。この場合のエッチングは異方性エッチングが好ましく、例えば、誘導結合型反応性イオンエッチング(ICP-RIE :Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching)により行うことができる。
【0038】
そうすると、図5に示すように、フォトレジスト21が除去された各開口23のシリコン基板20の表面が深さ方向にエッチングされ、溝25が形成される。同時に、溝25と溝25との間には、柱24が形成される。このとき、溝25は、各開口23の面積に応じて、深さが異なる。すなわち、面積が大きい開口23aの溝25aは、面積が小さい開口23bの溝25bに比べ、深く形成される。
【0039】
ここで、開口23の面積と、エッチングにより形成した溝25の深さとの関係について説明する。図7に示すように、一辺の長さをaとする正方形の開口23からなるパターン22が形成されたシリコン基板20に対し、異方性エッチングを行った。当該開口23は、隣り合う開口23と間隔w(200nm)をあけて縦横に配列さている。各開口23の面積と、溝25の深さとの関係を示す図8から明らかなように、開口23の面積が大きくなれば、エッチングにより形成される溝25も深くなることが確認できた。
【0040】
また、開口23のアスペクト比と溝25の深さとの関係について説明する。図9に示すように、各辺の長さをa,bとする矩形の開口23からなるパターン22が形成されたシリコン基板20を用意した。当該開口23は、隣り合う開口23とw(200nm)の間隔をあけて縦横に配列さている。アスペクト比(a/b)毎に面積の異なる6種類(0.16μm2, 0.36μm2, 0.64μm2, 1.0μm2, 4.0μm2, 9.0μm2)の開口23を形成し、エッチングを行った。図10は、横軸にアスペクト比、縦軸にアスペクト比を1とした場合の溝25の深さに対する比を示す。本図から明らかなように、アスペクト比が0.2以下の矩形状の開口23では、面積が大きくても、アスペクト比1すなわち正方形の開口23に比べ、エッチングにより形成される溝25の深さが浅くなることが確認できた。
【0041】
上記したように、開口23は、面積及びアスペクト比を種々選択することにより、エッチング深さの異なる溝25を選択的に形成できることが確認された。例えば、開口23のアスペクト比が小さくなる場合には、当該開口23を二つに分割した方が望ましい。
【0042】
次いで、エッチングにより、表面を滑らかにして光学素子7を形成する(図6)。この場合のエッチングは、等方性エッチングが好ましく、例えば、SF6(六フッ化硫黄)を用いたエッチングにより行うことができる。これにより、溝25と溝25との間に形成された柱24は除去され、全体として滑らかな放物面8が形成される。
【0043】
図11に、このように形成された光学素子7の平面写真を示す。本図から、得られた光学素子7は、中心に向かって徐々に深さが深くなっていることが分かる。また、図11におけるa−a断面及びb−b断面において、光学素子7の設計形状と、形成された光学素子7の実測形状とを対比すると(図12)、設計形状を示す線(図中、Design)と実測形状を示す線(図中、Measurement)とが重なっているので、ほぼ、設計どおりに所望の放物面8が得られたことが確認できた。
【0044】
また、面積及びアスペクト比を種々選択した開口23を組み合わせてパターン22を形成することにより、中心軸yに対し、傾いた放物面8を有する光学素子7を形成することができる。例えば、光学素子7の中心軸yに対し光軸aが平行な放物面8を有する光学素子7を形成する場合のパターン22(図13(a))に対し、中心軸yに対し光軸aが30度傾いた放物面8を有する光学素子7を形成する場合(図14)には、a−a方向にはほとんど変化はないが、各開口23がb−b方向に圧縮されたように配置される。
【0045】
このように、放物面8の光軸aの角度が中心軸yに対し種々異なる光学素子7を上記方法により形成し、当該光学素子7を複数、例えば縦横に配列して形成することにより、光学素子群6をレンズ本体5の一面5aに形成することができる。
【0046】
(3)作用及び効果
上記したように構成された赤外線センサ1は、レンズ本体5の一面5a側から光が入射すると、当該入射した光はセンサアレイ3を透過してレンズ本体5の一面5aに形成された光学素子群6へ到達する。光学素子群6へ到達した光は各光学素子7で反射される。
【0047】
ここで、入射した光の入射角と放物面8の光軸aとが平行ではない光学素子7では、当該光を焦点に集光させることはない。一方、入射した光の入射角と放物面8の光軸aとが平行である光学素子7では、当該光を焦点に集光させることができる。そうすると、当該焦点に配置された感熱素子13が、当該光を検知して図示しない計測器へ出力する。このように、光学素子7は、放物面8の光軸aを光学素子7の中心軸yに対し傾けて形成したことにより、指向性を有する。従って、各光学素子7が指向性を有することにより、所望の入射角を有する光に対応することができる。
【0048】
また、本実施形態では、光学素子7と感熱素子13とからなるセンサ部4を平面視で縦横に配列することにより、入射角の異なる種々の光に対し感度を向上することができる。従って、本発明に係る赤外線センサ1は、入射角が異なる光を光学素子7で集光し、当該光学素子7に対応した感熱素子13で検知することにより、視野角を拡大させることができる。
【0049】
ここで、上記のように製造された光学素子7の性能について以下のように確認した。光学素子7は、中心軸yに対し放物面8の光軸aが30度傾いて形成されたものを使用した。この光学素子7の放物面8には、厚さ50nmのアルミニウム薄膜が形成されている。この光学素子7を図15に示す実験装置30において評価した。実験装置30は、赤外線を出射する光源31と、レンズ33を備えた赤外線カメラ32と、レンズ用基台34とを備える。光源31と赤外線カメラ32とは、光軸aの傾きと同様に、レンズ用基台34を中心として角度30度の位置に配置されている。また、光源31の大きさは10mm、光源31と光学素子7との距離は100mmである。このようにして実験装置30は、レンズ用基台34に設置された光学素子7が光源31から出射された赤外線を反射して集光した光を、赤外線カメラ32で撮影し得るように構成されている。
【0050】
この実験装置30によって撮影した画像を図17に示す。図17におけるa,b,c,d,e,及びfは、図16における赤外線カメラ32の焦点面からの各距離における撮影画像である。aでは、光学素子7が確認でき、dにおいて焦点が確認された。焦点の大きさは0.16mm、光学素子7と焦点との距離は、1.2mmであった。尚、レンズの公式から算出した焦点の大きさは0.12mm、焦点距離は1.2mmである。また、焦点の中心の光の強度は、周辺における光の強度に比べ約8倍であった。これらの結果から、本発明によれば、所望の赤外線を集光させ得る光学素子7を形成できることが確認できた。
【0051】
また、光学素子7は、放物面8と、前記放物面8の周囲に形成された中心軸yに平行な壁面9とを有する構成としたことにより、隣の光学素子7からの迷光を防ぎ、隣り合う他の光学素子7との間隔を狭くすることができるので、光学素子7を密に形成することができる。従って、この光学素子7を用いた赤外線センサ1は、小型化を実現するとともに、放物面8の光軸aの傾きが種々異なる光学素子7を密に形成することによって、視野角を拡大させることができる。尚、迷光とは、予期しない方向から来た光で、例えば、隣の光学素子7で反射した光をいう。
【符号の説明】
【0052】
1 赤外線センサ
2 レンズアレイ
4 センサ部
5 レンズ本体
5a 一面
7 光学素子
8 放物面
9 壁面
13 感熱素子
a 放物面の光軸
y 光学素子の中心軸
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学素子、及び赤外線センサに関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、光学素子としては、ガラスやプラスチックにより形成した可視光の集光レンズが知られている。ところが、ガラスやプラスチックは、赤外線を吸収してしまう。そのため、ガラスやプラスチックで形成された光学素子は、赤外領域では用いることができない。これに対し、赤外領域で用いることができる光学素子の材料として、ゲルマニウムやセレン化亜鉛が用いられてきた(例えば、特許文献1)。
【0003】
このような赤外領域で用いることができる光学素子は、赤外線センサに適用されている。この赤外線センサとしては、焦電素子と、赤外線検出部と、光学素子としてのレンズ部を有するキャップレンズとを有し、レンズ部によって集光された赤外線を焦電素子に入射させることによって、対象物の存在を検知する赤外線センサが開示されている(例えば、特許文献2)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2004−361862号公報
【特許文献2】特開2008−268128号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記光学素子では、図18に示すように、光学素子の中心軸yに対し平行に入射する光(図中A,D)を集光させることはできるものの、光学素子の中心軸yに対し傾いて入射する光(図中B,C)を集光させることができない。そうすると、このような光学素子を用いた赤外線センサでは、光学素子の中心軸yに対し傾いて入射する光を高感度で検出することが困難であるという問題があった。
【0006】
そこで、本発明は上記した問題点に鑑み、光学素子の中心軸に対し傾いて入射する光を集光させることができる光学素子、及び、光学素子の中心軸に対し傾いて入射する光をより確実に検知できる赤外線センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の請求項1に係る発明は、入射した光を反射して集光する放物面を備える光学素子において、前記放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されていることを特徴とする。
【0008】
本発明の請求項2に係る発明は、前記放物面の周囲には、前記光学素子の中心軸に概略平行な壁面が形成されていることを特徴とする。
【0009】
本発明の請求項3に係る発明は、入射した光を反射して集光する放物面を備える光学素子と、前記光学素子によって集光された光の焦点に配置された感熱素子とを備え、前記放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されていることを特徴とする。
【0010】
本発明の請求項4に係る発明は、前記光学素子と、前記光学素子に対応して設けられた前記感熱素子とからなるセンサ部が、複数配列されてなることを特徴とする。
【0011】
本発明の請求項5に係る発明は、前記放物面の周囲には、前記光学素子の中心軸に概略平行な壁面が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明の請求項1に係る光学素子によれば、放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されているので、光学素子の中心軸に対し傾いて入射する光をより確実に集光させることができる。
【0013】
本発明の請求項2に係る光学素子によれば、隣の光学素子からの迷光を防ぎ、隣り合う光学素子との間隔を狭くすることができるので、全体として小型化を実現することができる。
【0014】
本発明の請求項3に係る赤外線センサによれば、前記放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されているので、光学素子の中心軸に対し傾いて入射する光をより確実に検知することができる。
【0015】
本発明の請求項4に係る赤外線センサによれば、光学素子と、前記光学素子に対応して設けられた前記感熱素子とからなるセンサ部を複数配列することにより、視野角を拡大することができる。
【0016】
本発明の請求項5に係る赤外線センサによれば、隣の光学素子からの迷光を防ぎ、隣り合う光学素子との間隔を狭くすることができるので、全体として小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明に係る赤外線センサの全体構成を示す縦断面図(1)である。
【図2】本発明に係る赤外線センサの全体構成を示す縦断面図(2)である。
【図3】本発明に係るレンズアレイの製造方法を段階的に示す縦断面図(1)である。
【図4】本発明に係るレンズアレイの製造方法を段階的に示す平面図である。
【図5】本発明に係るレンズアレイの製造方法を段階的に示す縦断面図(2)である。
【図6】本発明に係るレンズアレイの製造方法を段階的に示す縦断面図(3)である。
【図7】本発明に係るレンズアレイの実施例(1)を示す図であり、試料のパターンを示す平面図である。
【図8】本発明に係るレンズアレイの実施例(1)を示す図であり、開口の面積と、エッチングにより形成した溝の深さとの関係を示すグラフである。
【図9】本発明に係るレンズアレイの実施例(2)を示す図であり、試料のパターンを示す平面図である。
【図10】本発明に係るレンズアレイの実施例(2)を示す図であり、開口のアスペクト比と溝の深さとの関係を示すグラフである。
【図11】本発明に係るレンズアレイの光学素子の高さを測定した計測値を示す平面図である。
【図12】本発明に係る光学素子の設計形状と、形成された光学素子の実測形状とを対比する図であり、(A)図11におけるa−a断面、(B)図11におけるb−b断面である。
【図13】本発明に係る傾き角度0度の光学素子の製造方法の実施形態を示す図であり、(A)パターンの平面図、(B)放物面を示す図である。
【図14】本発明に係る傾き角度30度の光学素子の製造方法の実施形態を示す図であり、(A)パターンの平面図、(B)放物面を示す図である。
【図15】本発明に係る光学素子の評価を行った実験装置を示す斜視図である。
【図16】本発明に係る光学素子において、放物面に入射した光と、放物面によって反射され集光された光を模式的に示す図である。
【図17】本発明に係る光学素子において、放物面によって反射され集光された光を撮影した写真であり、図16における各位置にピントを合わせた写真である。
【図18】従来例を示す模式図であり、光学素子に入射した光と、光学素子によって反射された光とを示し、(A)入射光と放物面の光軸とが平行である場合、(B)放物面の光軸に対し入射光が30度の角度から入射した場合、(C)放物面の光軸が入射光に対し角度30度傾いている状態、(D)放物面の光軸が30度傾いており入射光が同様に30度の角度から入射した場合を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【0019】
(1)全体構成
図1に示す赤外線センサ1は、レンズアレイ2とセンサアレイ3とを有し、センサ部4が複数、本図では7個形成されている。
【0020】
レンズアレイ2は、レンズ本体5と、当該レンズ本体5に形成された光学素子群6とを有する。レンズ本体5は、任意の材料を用いることができるが、例えば、シリコンを用いることができる。
【0021】
光学素子群6は、光学素子7が縦横に所定の間隔をあけてレンズ本体5の一面5aに配列されている。本図においては、光学素子7のうち、第1の光学素子7a、第2の光学素子7b、第3の光学素子7c及び第4の光学素子7dを示す。尚、以下の説明において、光学素子7の中心軸は、本図中の方向yと平行であるとし、中心軸yとして説明する。
【0022】
光学素子7は、放物面8と、当該放物面8の周囲に前記放物面8よりも前記光学素子7の中心軸yに近い角度の壁面9とを有し、図示しない反射膜が表面に形成されており、凹面ミラーとして構成されている。本実施形態では、当該壁面9は、中心軸yに概略平行に形成されている。反射膜は、例えばアルミニウムや金で形成したものを適用することができる。放物面8は、光軸aを中心として形成されたすり鉢状の凹側の表面の一部で構成される。尚、放物面8の光軸aとは、放物面8を形成するすり鉢形状の中心を通り、当該光軸aと平行な角度から入射した光を焦点に集光させる方向の軸をいう。
【0023】
各光学素子7は、放物面8の光軸a1,a2,a3,a4の傾きがそれぞれ異なっており、光学素子群6全体として、レンズ本体5の一面5a側から入射する光であって種々の角度から入射する光をそれぞれの焦点に集光し得るように構成されている。このため、光学素子7は、当該光学素子7の中心軸yに対し、放物面8の光軸a1,a2,a3,a4の角度が、各光学素子7毎に異なる。
【0024】
本実施形態において、光学素子群6の中心に配置された第1の光学素子7aは、放物面8の光軸a1が中心軸yと平行となるように形成されている。当該第1の光学素子7aの両隣に間隔をあけて配置された第2の光学素子7bは、放物面8の光軸a2が中心軸yに対し15度傾いて形成されている。また、第2の光学素子7bの隣に間隔をあけて形成された第3の光学素子7cは、放物面8の光軸a3が中心軸yに対し30度傾いて形成されている。さらに、第3の光学素子7cの隣に間隔をあけて形成された第4の光学素子7dは、放物面8の光軸a4が中心軸yに対し45度傾いて形成されている。
【0025】
光学素子7における集光した光の焦点は、中心軸yに対し直交する方向の位置が、それぞれの光学素子7に対応した位置となるように形成されている。一方、光学素子7における集光した光の焦点は、中心軸y方向の位置が、全ての光学素子7で同一となるように形成されている。本実施形態では、光学素子7は、中心軸yに対する放物面8の傾きに応じて、放物面8の深さを種々変えることにより、全ての光学素子7の焦点の中心軸yの位置が、レンズ本体5の一面5aと略面一となるように形成されている。
【0026】
このように構成された複数の光学素子7からなる光学素子群6を備えたレンズアレイ2には、レンズ本体5の一面5aにセンサアレイ3が重ねて設けられている。センサアレイ3は、センサ本体12と、当該センサ本体12に固定された感熱素子13とを有する。
【0027】
センサ本体12は、赤外線を透過する材料で構成され、中心軸yに開口した凹部14が一側表面に形成されており、他側表面は平坦となっている。感熱素子13は、前記光学素子7に対応して設けられている。本実施形態では、感熱素子13は、光学素子7に対応して、第1の感熱部13a、第2の感熱部13b、第3の感熱部13c、及び第4の感熱部13dからなる。
【0028】
当該感熱素子13は特に限定されるものではなく、例えば、熱電対やサーミスタを用いることができる。感熱素子13としてサーミスタを用いた場合、図示しない計測器のアナログチャンネルのプラス端子及びマイナス端子にそれぞれサーミスタの端を電気的に接続する。
【0029】
各感熱素子13は、センサ本体12の他側表面の所定の位置に固定されている。ここで、所定位置とは、各光学素子7で集光した光の焦点とちょうど同じ位置をいう。
【0030】
赤外線センサ1は、上記のように構成されたレンズ本体5の一面5aにセンサアレイ3の他側表面を当接させ、レンズアレイ2上にセンサアレイ3を重ねて一体化してなる。このようにレンズアレイ2とセンサアレイ3とを一体化して、各光学素子7と、当該光学素子7に対応して設けられた感熱素子13とを組み合わせることにより、センサ部4が形成される。すなわち、センサ部4は、第1の光学素子7aと第1の感熱部13aとにより第1のセンサ部4aと、第2の光学素子7bと第2の感熱部13bとにより第2のセンサ部4bと、第3の光学素子7cと第3の感熱部13cとにより第3のセンサ部4cと、及び、第4の光学素子7dと第4の感熱部13dとにより第4のセンサ部4dとを有する。
【0031】
ここで、各光学素子7の焦点の中心軸yの位置が、レンズ本体5の一面5aと略面一となるように形成されているので、センサアレイ3の他側表面をレンズ本体5の一面5aに当接させセンサアレイ3をレンズアレイ2に重ねるだけで、センサアレイ3の他側表面に設けられた感熱素子13を前記焦点の位置に配置することができる。
【0032】
図2に示すように、上記のように赤外線センサ1は、入射した光をレンズアレイ2の各光学素子7で反射して焦点に集光させ、前記光学素子7に対応してセンサアレイ3に設けられた感熱素子13で当該集光した光を検知し得るように構成されている。赤外線センサ1は、放物面8の光軸aの角度が中心軸yに対し種々異なることにより、入射角の種々異なる光を検知し得るように構成されている。
【0033】
すなわち、第1のセンサ部4aでは、第1の光学素子7aが中心軸yに対し平行に入射した光を焦点に集光させ、第1の感熱部13aで当該光を検知する。一方、第2のセンサ部4bでは、第2の光学素子7bが中心軸yに対し15度傾いた方向から入射した光を焦点に集光させ、第2の感熱部13bで当該光を検知する。同様に、第3のセンサ部4cでは、第3の光学素子7cが中心軸yに対し30度傾いた方向から入射した光を焦点に集光させ、第3の感熱部13cで当該光を検知する。また、第4のセンサ部4dでは、第4の光学素子7dが中心軸yに対し45度傾いた方向から入射した光を焦点に集光させ、第4の感熱部13dで当該光を検知する。
【0034】
図2では、第1のセンサ部4aを中心として、両側に第2のセンサ部4b、第3のセンサ部4c、及び第4のセンサ部4dがそれぞれ設けられていることにより、中心軸yに対し、0度から45度まで15度間隔で入射角の異なる光を検出することができる。また、図示しないが、赤外線センサ1は、センサ部を平面視で縦横に配列することにより、入射角の異なる種々の光をより確実に検知することができる。
【0035】
(2)製造方法
次に、本発明に係るレンズアレイ2の製造方法について説明する。本実施形態では、被エッチングパターンの粗密によりエッチング速度が異なる現象である、マイクロローディング効果を用いる。尚、以下の説明では、1個の光学素子7を形成する場合について、説明する。
【0036】
まず、図3に示すように、フォトレジスト21を塗布したシリコン基板20上に、電子ビーム(Electron Beam)を用いてパターン22を形成する。パターン22は、フォトレジスト21を矩形状に除去した複数の開口23からなる。各開口23は、所定間隔で配列されている(図4)。また、パターン22の中心付近の開口23aは、パターン22の外縁の開口23bに比べ、表面積が大きくなるように形成されている。
【0037】
次いで、このようにパターン22が形成されたシリコン基板20に対しエッチングを行う。この場合のエッチングは異方性エッチングが好ましく、例えば、誘導結合型反応性イオンエッチング(ICP-RIE :Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching)により行うことができる。
【0038】
そうすると、図5に示すように、フォトレジスト21が除去された各開口23のシリコン基板20の表面が深さ方向にエッチングされ、溝25が形成される。同時に、溝25と溝25との間には、柱24が形成される。このとき、溝25は、各開口23の面積に応じて、深さが異なる。すなわち、面積が大きい開口23aの溝25aは、面積が小さい開口23bの溝25bに比べ、深く形成される。
【0039】
ここで、開口23の面積と、エッチングにより形成した溝25の深さとの関係について説明する。図7に示すように、一辺の長さをaとする正方形の開口23からなるパターン22が形成されたシリコン基板20に対し、異方性エッチングを行った。当該開口23は、隣り合う開口23と間隔w(200nm)をあけて縦横に配列さている。各開口23の面積と、溝25の深さとの関係を示す図8から明らかなように、開口23の面積が大きくなれば、エッチングにより形成される溝25も深くなることが確認できた。
【0040】
また、開口23のアスペクト比と溝25の深さとの関係について説明する。図9に示すように、各辺の長さをa,bとする矩形の開口23からなるパターン22が形成されたシリコン基板20を用意した。当該開口23は、隣り合う開口23とw(200nm)の間隔をあけて縦横に配列さている。アスペクト比(a/b)毎に面積の異なる6種類(0.16μm2, 0.36μm2, 0.64μm2, 1.0μm2, 4.0μm2, 9.0μm2)の開口23を形成し、エッチングを行った。図10は、横軸にアスペクト比、縦軸にアスペクト比を1とした場合の溝25の深さに対する比を示す。本図から明らかなように、アスペクト比が0.2以下の矩形状の開口23では、面積が大きくても、アスペクト比1すなわち正方形の開口23に比べ、エッチングにより形成される溝25の深さが浅くなることが確認できた。
【0041】
上記したように、開口23は、面積及びアスペクト比を種々選択することにより、エッチング深さの異なる溝25を選択的に形成できることが確認された。例えば、開口23のアスペクト比が小さくなる場合には、当該開口23を二つに分割した方が望ましい。
【0042】
次いで、エッチングにより、表面を滑らかにして光学素子7を形成する(図6)。この場合のエッチングは、等方性エッチングが好ましく、例えば、SF6(六フッ化硫黄)を用いたエッチングにより行うことができる。これにより、溝25と溝25との間に形成された柱24は除去され、全体として滑らかな放物面8が形成される。
【0043】
図11に、このように形成された光学素子7の平面写真を示す。本図から、得られた光学素子7は、中心に向かって徐々に深さが深くなっていることが分かる。また、図11におけるa−a断面及びb−b断面において、光学素子7の設計形状と、形成された光学素子7の実測形状とを対比すると(図12)、設計形状を示す線(図中、Design)と実測形状を示す線(図中、Measurement)とが重なっているので、ほぼ、設計どおりに所望の放物面8が得られたことが確認できた。
【0044】
また、面積及びアスペクト比を種々選択した開口23を組み合わせてパターン22を形成することにより、中心軸yに対し、傾いた放物面8を有する光学素子7を形成することができる。例えば、光学素子7の中心軸yに対し光軸aが平行な放物面8を有する光学素子7を形成する場合のパターン22(図13(a))に対し、中心軸yに対し光軸aが30度傾いた放物面8を有する光学素子7を形成する場合(図14)には、a−a方向にはほとんど変化はないが、各開口23がb−b方向に圧縮されたように配置される。
【0045】
このように、放物面8の光軸aの角度が中心軸yに対し種々異なる光学素子7を上記方法により形成し、当該光学素子7を複数、例えば縦横に配列して形成することにより、光学素子群6をレンズ本体5の一面5aに形成することができる。
【0046】
(3)作用及び効果
上記したように構成された赤外線センサ1は、レンズ本体5の一面5a側から光が入射すると、当該入射した光はセンサアレイ3を透過してレンズ本体5の一面5aに形成された光学素子群6へ到達する。光学素子群6へ到達した光は各光学素子7で反射される。
【0047】
ここで、入射した光の入射角と放物面8の光軸aとが平行ではない光学素子7では、当該光を焦点に集光させることはない。一方、入射した光の入射角と放物面8の光軸aとが平行である光学素子7では、当該光を焦点に集光させることができる。そうすると、当該焦点に配置された感熱素子13が、当該光を検知して図示しない計測器へ出力する。このように、光学素子7は、放物面8の光軸aを光学素子7の中心軸yに対し傾けて形成したことにより、指向性を有する。従って、各光学素子7が指向性を有することにより、所望の入射角を有する光に対応することができる。
【0048】
また、本実施形態では、光学素子7と感熱素子13とからなるセンサ部4を平面視で縦横に配列することにより、入射角の異なる種々の光に対し感度を向上することができる。従って、本発明に係る赤外線センサ1は、入射角が異なる光を光学素子7で集光し、当該光学素子7に対応した感熱素子13で検知することにより、視野角を拡大させることができる。
【0049】
ここで、上記のように製造された光学素子7の性能について以下のように確認した。光学素子7は、中心軸yに対し放物面8の光軸aが30度傾いて形成されたものを使用した。この光学素子7の放物面8には、厚さ50nmのアルミニウム薄膜が形成されている。この光学素子7を図15に示す実験装置30において評価した。実験装置30は、赤外線を出射する光源31と、レンズ33を備えた赤外線カメラ32と、レンズ用基台34とを備える。光源31と赤外線カメラ32とは、光軸aの傾きと同様に、レンズ用基台34を中心として角度30度の位置に配置されている。また、光源31の大きさは10mm、光源31と光学素子7との距離は100mmである。このようにして実験装置30は、レンズ用基台34に設置された光学素子7が光源31から出射された赤外線を反射して集光した光を、赤外線カメラ32で撮影し得るように構成されている。
【0050】
この実験装置30によって撮影した画像を図17に示す。図17におけるa,b,c,d,e,及びfは、図16における赤外線カメラ32の焦点面からの各距離における撮影画像である。aでは、光学素子7が確認でき、dにおいて焦点が確認された。焦点の大きさは0.16mm、光学素子7と焦点との距離は、1.2mmであった。尚、レンズの公式から算出した焦点の大きさは0.12mm、焦点距離は1.2mmである。また、焦点の中心の光の強度は、周辺における光の強度に比べ約8倍であった。これらの結果から、本発明によれば、所望の赤外線を集光させ得る光学素子7を形成できることが確認できた。
【0051】
また、光学素子7は、放物面8と、前記放物面8の周囲に形成された中心軸yに平行な壁面9とを有する構成としたことにより、隣の光学素子7からの迷光を防ぎ、隣り合う他の光学素子7との間隔を狭くすることができるので、光学素子7を密に形成することができる。従って、この光学素子7を用いた赤外線センサ1は、小型化を実現するとともに、放物面8の光軸aの傾きが種々異なる光学素子7を密に形成することによって、視野角を拡大させることができる。尚、迷光とは、予期しない方向から来た光で、例えば、隣の光学素子7で反射した光をいう。
【符号の説明】
【0052】
1 赤外線センサ
2 レンズアレイ
4 センサ部
5 レンズ本体
5a 一面
7 光学素子
8 放物面
9 壁面
13 感熱素子
a 放物面の光軸
y 光学素子の中心軸
【特許請求の範囲】
【請求項1】
入射した光を反射して集光する放物面を備える光学素子において、
前記放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項2】
前記放物面の周囲には、前記光学素子の中心軸に概略平行な壁面が形成されていることを特徴とする請求項1の光学素子。
【請求項3】
入射した光を反射して集光する放物面を備える光学素子と、
前記光学素子によって集光された光の焦点に配置された感熱素子と
を備え、
前記放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されている
ことを特徴とする赤外線センサ。
【請求項4】
前記光学素子と、前記光学素子に対応して設けられた前記感熱素子とからなるセンサ部が、複数配列されてなることを特徴とする請求項3記載の赤外線センサ。
【請求項5】
前記放物面の周囲には、前記光学素子の中心軸に概略平行な壁面が形成されていることを特徴とする請求項3又は4に記載の赤外線センサ。
【請求項1】
入射した光を反射して集光する放物面を備える光学素子において、
前記放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項2】
前記放物面の周囲には、前記光学素子の中心軸に概略平行な壁面が形成されていることを特徴とする請求項1の光学素子。
【請求項3】
入射した光を反射して集光する放物面を備える光学素子と、
前記光学素子によって集光された光の焦点に配置された感熱素子と
を備え、
前記放物面の光軸は、前記光学素子の中心軸に対し傾いて形成されている
ことを特徴とする赤外線センサ。
【請求項4】
前記光学素子と、前記光学素子に対応して設けられた前記感熱素子とからなるセンサ部が、複数配列されてなることを特徴とする請求項3記載の赤外線センサ。
【請求項5】
前記放物面の周囲には、前記光学素子の中心軸に概略平行な壁面が形成されていることを特徴とする請求項3又は4に記載の赤外線センサ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図18】
【図11】
【図17】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図18】
【図11】
【図17】
【公開番号】特開2010−169807(P2010−169807A)
【公開日】平成22年8月5日(2010.8.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−10882(P2009−10882)
【出願日】平成21年1月21日(2009.1.21)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成20年度 文部科学省 科学技術総合研究委託事業に関する委託研究 産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願
【出願人】(504137912)国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年8月5日(2010.8.5)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年1月21日(2009.1.21)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成20年度 文部科学省 科学技術総合研究委託事業に関する委託研究 産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願
【出願人】(504137912)国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Fターム(参考)】
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